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防核武器防空地下室的相关概念与结构设计
作者：王颖 钱琨
来源：《装饰装修天地》2018年第04期
摘 要：人防工程建设考虑防御核武器有其必然性和必要性。防空地下室的结构设计因其所受核爆炸荷载的特殊性而与普通地下室设计有所不同。本文主要介绍了核爆炸过程中的空气冲击波、地面冲击波和土中压缩波的机理及其对结构的作用，以及防空地下室与普通地下室结构设计的主要区别。
关键词：防空地下室;冲击波;结构设计 1 核爆炸空气冲击波
核武器在大气中爆炸时，瞬间释放出巨大能量，行成高温高压的火球。火球剧烈膨胀，急剧加热和压缩邻近未扰动的空气，形成压缩空气层。它的前沿像一面高速向前的高压气体墙，墙面的超压值最高，靠里则逐渐降低。压缩空气层向未扰动的大气中运动，压缩区的范围不断扩大，当压缩区的前沿离开爆心一定距离后，由于在爆心处得不到进一步的能量补充，以及气体运动的惯性影响，在紧随压缩区之后就出现了压力低于正常大气压的空气稀疏区。紧密相连的压缩区和稀疏区脱离爆心向四周传播从而形成空气冲击波。压缩区的前沿与未扰动空气的分界面称为冲击波的波阵面。在波阵面上，气体的压力、密度、温度和空气分子的运动速度都突跃到最大值，这是冲击波的主要特点。波阵面以超声速向前推进，由于能量的空间扩散和消耗，随着离开爆心距离的加大，波阵面的超压将不断降低，同时压缩区和稀疏区的厚度也越来越大，最后转变为普通的气流。
冲击波到达处的超压瞬时由零骤增到峰值，然后随压缩区的通过，该处压力不断减小，随稀疏区的通过，超压又变为负值，紧接着负压逐渐增大到最大值后又逐渐减小，并恢复到正常大气压。在防空地下室结构设计中，把冲击波的波阵面及位于其后的气体压力超过大气压力的部分称为空气冲击波超压，超压的最大值称为超压峰值。 2 核爆炸地面冲击波
核武器空中爆炸时，在爆心正下方的冲击波阵面的传播方向与地表垂直，称其为入射冲击波。当入射波的波阵面与地表面相遇后，空气质点运动受阻，造成体积挤压而使压力升高。这种压力和质点运动将逐渐反向向上传播，形成反射冲击波。入射波与障碍面正交时的反射称为正反射。正反射时的最大反射超压与入射波波阵面上的最大超压之比称为反射系数。反射超压可按下式计算，由下式可见，反射系数随着入射波超压的增加而增加。在理想状态下，反射系数可达到8，正反射压力远大于入射波压力。 3 核爆炸土中压缩波
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空气冲击波作用于地表，压迫土体并使其产生运动，这种由上而下逐层传播的压缩状态形成了土中压缩波。土中压缩波作用于结构顶板上时将产生反射，并使结构发生整体位移和变形，这些位移和变形又反过来影响压缩波荷载，这种相互影响的力学现象称为介质与结构之间动态相互作用。在防空地下室结构设计中，用综合反射系数K来反映压缩波与顶板的相互作用影响。
当压缩波遇到顶板产生反射压缩波后，即向反方向传播，反射波所到之处介质压力增高。当它返回自由地表时，因地表为自由界面必然产生反射，这种波为向下传播的拉伸波，拉伸波所到之处的压力随之下降，当传播到顶板时，顶板压力亦随之减小形成卸载作用。若结构埋置较浅，由于拉伸波造成的卸载作用会部分抵消入射波在顶板上的反射作用;若埋深较深，虽然反射压力在结构变形到最大值过程中一直起作用，但随着深度增加，结构动力作用越来越小，当结构最大变位时间等于反射压力作用时间时，荷载总的动力响应最大，产生此最大动力响应的深度称为“结构顶板不利覆土厚度”，其值与抗力等级、结构短边净跨大小有关。《人民防空地下室设计规范》4.5.4条对不利覆土厚度的取值做出了具体规定。 4 防空地下室与普通地下室结构设计的主要区别
（1）防空地下室结构设计不仅要满足战时的抗力，还要满足平时使用的结构要求，应是同时满足平时和战时两种不同荷载效应组合要求下的包络设计。
（2）钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段设计。在爆炸动荷载作用下，构件即使进入塑性屈服状态，只要动荷载引起的最大变形不超过允许最大变形，则在这种瞬间动荷载作用消失以后，由于阻尼影响，其振动变形将不断衰减，最后能达到某一静止平衡状态，结构虽然出现一些残余变形，但仍具有承受荷载的能力。构件在塑性阶段工作可比仅在弹性阶段工作吸收更多的能量，可充分发挥材料潜能。在动荷载作用下，对防空地下室中钢筋混凝土结构构件而言，处于屈服后开裂状态仍属于正常的工作状态。
（3）结构构件的材料设计强度可适当提高。实验表明，加载速率直接影响材料的力学性能。在爆炸动荷载作用下，结构构件所经受的是毫秒级的快速变形过程，与标准静载试验速度相比要快千百倍，这时材料力学性能的变化主要表现为强度的提高。《人民防空地下室设计规范》4.2.3条中采用综合调整系数对动荷载作用下的材料强度设计值进行了放大。
（4）结构构件的变形极限用允许延性比控制。允许延性比是指构件允许出现的最大变位与弹性极限变位的比值。允许延性比不大于1时，结构处于弹性工作阶段;允许延性比大于1时，结构处于弹塑性工作阶段。允许延性比虽然不能直接反映结构构件的强度、挠度及裂缝等情况，但与这三者都有密切的联系，且能直接表明结构构件所处的工作状态。在确定各种结构构件的允许延性比限值时，已考虑了对变形的限制和防护密闭要求，因而在结构计算中不必再单独进行变形和裂缝开展的验算。
《人民防空地下室设计规范》4.6.2条规定，允许延性比[β]值可按表1取值。
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（5）地面多层或高层建筑物，对于核爆炸冲击波、早期核辐射等破坏因素都有一定的削弱作用，但地面建筑物在战时极易发生火灾而使有害气体大量增加，对于密闭性能不好的工程，将对室内人员造成伤害。地面建筑物的倒塌可能会导致防空地下室出入口的堵塞，所以在室外的战时主要出入口，应设置在地面建筑的倒塌范围之外。因条件限制需设在倒塌范围以内时，应采用防倒塌棚架。
综上，防空地下室结构设计与普通地下室相比，有荷载作用机理复杂，构件安全度低，构造要求在设计成果中所占比重大等特点。防核武器防空地下室的结构设计，不应是荷载和模型的简单组合，而应是在基本概念和机理明确清晰基础上的简化计算与构造要求的有机结合。
本文来源：https://www.wddqxz.cn/2bb7c55bcdbff121dd36a32d7375a417866fc1c1.html
2023-03-27
